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1、目 录第1章 绪 论 2第2章 PLC控制的提升机操作保护系统 42.1提升机操作保护系统概述 2.2 PLC控制的提升机操作保护系统结构 2.2.1 提升机故障分类 2.2.2 双线制提升机安全保护系统 第3章 继电器安全回路 第4章 PLC安全回路 4.1 PLC 引入的优越性 4.2 PLC硬件结构 第5章 软件设计 5.1 组织块 5.2 功能块、功能及数据块第6章 结论 致谢 个人简介 参考文献 矿井提升机的PLC操作保护系统改造设计说明书第1章 绪论提升机是煤矿生产中关键大型设备，其安全性能的优劣，不但直接影响着全矿生产的正常进行，而且还与矿工的生命安全紧紧地联系在一起。因此，在提
2、升机的各类性能中的安全性一直是人们最关注的焦点。开滦股份吕家坨煤矿老主井提升机电控设备为60年代由波兰进口的F-D控制系统，主电机容量2400KW（电枢电压650V，电流4000A），原提升机电气系统框图如下：图1-1原提升机电气系统框图由于原电控系统采用发电机+电动机(即F-D)的控制系统，所以在运行中存在下列问题：（1） 由于设备使用时间长，设备老化，故障点多。（2） 由于发电机一直在不停的运转，设备能耗大。（3） 整个控制系统继电器部分体积大，接线复杂，查找故障困难。（4） 行程保护不完善，可靠性差。 早期的提升机操作保护系统由模拟电子电路、不可编程的数字电子电路和继电器构成，存在线路复
3、杂、故障点多、可靠性低、稳定性差等缺点。由此可见，改造原F-D电控系统是非常必要的。由于PLC可靠性高、硬件功能软件化，能克服上述缺点，因此在现代提升机操作保护系统中得到了普遍应用。改造后的提升机电气系统如下图所示：图1-2 改造后的提升机电气系统框图第2章 PLC控制的提升机操作保护系统2.1 提升机操作保护系统概述提升机操作保护系统主要完成逻辑操作控制和故障安全保护两方面任务。来自提升系统各部分的运行状态和运行参数以及操作信号和保护信号引入到操作保护系统中，一方面，操作保护系统将与操作控制相关的信号进行逻辑运算和闭锁，最后产生控制指令，如高压合闸、快开合闸、磁场合闸、运行指令、运行方向、过
4、卷复位、安全复位、制动松闸等；另一方面，操作保护系统将与故障保护相关的信号进行逻辑运算和判断，最后处理成立即施闸、提升终了施闸、电气制动和报警四类，送监视器显示故障类型并控制声光报警并施闸，如图2-1所示。图2-1 提升机操作保护系统框图2.2 PLC控制的提升机操作保护系统结构2.2.1 提升机故障分类提升机故障，按类型可分为以下几种：立即施闸类故障保护（就是说发生下列各类故障时，系统能立即进行安全制动停车）： - 提升容器过卷； - 高、低压电源断电故障; - 提升系统超过最高速度15%及减速段过速10%; - 提升容器到达终端时的速度超过2米/秒; - 电机超温;- 主电机失磁; - 按
5、下紧急停车钮; - 调节回路故障; - 制动系统油压故障; - 钢绳打滑超限; - 尾绳故障; - 定子、转子回路故障; - 摇台动作; - 错向操作; - 直流快开跳闸。 终端施闸类故障保护(就是说发生下列各类故障时，允许一次提升循环结束后再停车): - 运行过程中通风机故障;- 主机轴瓦过热; - 定子、转子及变流器发生局部故障; - 变压器温度偏高。 电气制动类故障保护(就是说发生下列各类故障时，系统自动降低速度到1米/秒,然后再施闸停车): - 信号电源欠压; - 液压制动系统油温偏高; - 液压制动系统油位偏低; - 闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳。 报警类故障保护（就是说发生下列各类
6、故障时，仅发声光报警信号）: - 低压电源漏电； - 信号电源接地。2.2.2 双线制提升机安全保护系统为保障提升机系统安全可靠，在系统中采用了双线制安全回路，即PLC安全回路和继电器安全回路软、硬相结合。对于一些需立即施闸停车的重事故信号，如：行程PLC 故障、快速开关跳闸、传动回路故障等事故，故障信号送入继电器安全直动回路和PLC，实现立即跳闸停车。当继电器安全直动回路和PLC控制回路中任一个回路拒动，另一回路仍能完成立即跳闸停车的功能，体现了双线制保护系统的优越性。在PLC软件内部实现多重监视和闭锁，以实现故障记忆；由继电器构成的安全回路，同样也实现了故障记忆、安全回路接点状态监视等功能
7、。具体框图如图2-2所示。图2-2 双线式提升机安全保护系统框图对于提升机的其它故障 ，如发生终端施闸类故障、电气制动类故障，故障信号送往PLC发出声光报警；等提升容器到位且制动手柄在零位时，由PLC控制施闸停车。第三章 继电器安全回路以重事故（立即施闸类故障）快速开关跳闸为例，继电器安全直动回路如图3-1所示。 图3-1 继电器安全回路当主回路电流过大，超过快速开关设定值，快速开关动作使主回路断开，快速开关的辅助点接入继电器JD93线圈，当继电器线圈得电，其常闭点断开，安全回路继电器D803、D804、D808失电。安全继电器D803输出点接入提升机控制回路，继电器线圈失电时，封锁主令和可调
8、闸输出，可调闸输出封锁后，输出毫安值变为0mA，液压站电磁阀动作，抱闸停车。安全继电器D804输出点接入液压站油泵控制回路，继电器线圈失电后，油泵主电源断开，停止运转，液压站实行二级制动抱闸停车。安全继电器D805输出点接入PLC 安全回路，继电器线圈失电后，断开PLC安全回路。安全继电器D808输出点接入调节柜安全回路，继电器线圈失电时，封锁可控硅触发脉冲，停止主回路和励磁回路的电流输出。由上图可以看出，安全回路还有“行程PLC故障”信号，它来自于PLC系统，主要对提升机运行状态进行行程监控，当提升机在运行中出现行程故障，如减速段超速，一方面PLC发出故障，报警停车，另一方面继电器安全直动回
9、路动作，这样就保证了提升机运行的可靠性。继电器控制安全回路电路原理图见图3-2。第4章 PLC安全回路4.1 PLC 引入的优越性（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各
10、种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机
11、原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低4.2 硬件结构4.2.1、提升机PLC操作保护系统硬件模块配置提升机PLC操作保护系统硬件模块配置如图4-1所示。由 电源模块（PS307） 、模块（CPU315-2DP）、开关量输入模块（SM321 32DI）、开关量输入模块（SM321 32DI）、开
12、关量输出模块（SM322 32DO）和计数模块（FM350）组合而成。各模块功能：图4-1操作保护PLC硬件配置（）电源模块将120VAC或220VAC交流电压转换成24V直流电压，为其它模块供电。（）CPU模块用于控制总线上模块之间的数据传输，并执行用户程序。（）输入模块用于将控制系统送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平。（）输出模块用于将PLC内部信号电平转换成控制系统所要求的外部信号电平。（）A/D模数转换模块用于将控制系统送来的外部模拟信号（如电压、电流、速度、精度等）转换成PLC内部处理用的数字信号。（）计数模块用于对导向轮的轴编码器和传动控制器上的轴编码器进行计数，并进行
13、比较。4.2.2 PLC安全回路硬件接线PLC安全回路硬件接线如图4-2（1）和图4-2（2）所示：当主回路电流过大，快速开关动作时，其输出点如前所述，一路接入继电器安全直动回路，另一路接入PLC输入点I3.2，当故障输入I3.2由高电平变为低电平时，安全回路中间变量M23.1（立即施闸1）动作，中间变量M23.1输出，一路发出故障声光报警，封锁液压站油压输出，另一路去调节柜封锁触发脉冲。图4-2 硬件接线图(1)图4-3 硬件接线图(2)由图4-3可以看出，安全回路有一I10.1安全继电器回路输入，它来自于安全继电器直动回路，假若PLC输入I3.2不动作，由于I10.1的引入，PLC安全回路
14、仍然动作。由上面分析可以看出，在双线制安全回路中，对于重故障信号，均采用PLC与继电器双路输入，实现了故障信号的多重监视和闭锁。第5章 PLC软件设计PLC的软件结构可分为系统程序和用户程序。系统程序装配在CPU模块上随硬件的产品而来。用户程序是用编程器编好程序后输入到PLC内部的存储模块。本用户程序采用的是模块式结构，共有4种模块：组织块（OB）、功能块（FB）、功能（FC）和数据块（DB）。根据提升机操作保护系统的功能要求，用户程序设计了OB100、OB1、OB35、FC1、FC0、FC5、FC91、FC92、FC93、FC94、FC95和FC114以及DB1、DB2等模块。5.1组织块（
15、OB）组织块（OB）它可以提供CPU操作系统与用户的接口，OB1执行用户程序的循环处理，其他OB块响应特定事件和中断。（1）OB1为循环运行组织块，也即用户主程序部分，程序框图如图5-1所示。图5-1 主程序OB1程序框图在OB1中可以调用其它用户功能块和系统功能块，如SFB、SFC、FB、FC等。根据结构化设计程序的原则，将能完成某些特定功能的程序事先编制成可以重复调用的FB、FC功能块形式，然后在OB1中执行相关调用。这样程序设计结构清晰、功能明确，编制和调试都很方便。内部程序如下： A dgtb A TB_MP JC M003 JU M004M003: A BMQ-CZT JC M005
16、 A dgtb A TB_MP A ZFX-154 = LADE_DIREKT = SLADE_DIREKT L Encode.TBJZ1_BMQ1 T DB1.DBD 14 L Encode.TBJZ1_BMQ2 T DB2.DBD 14 JU M002M005: L DB1.DBD 34 T Encode.Tb_MinPlus1 L DB2.DBD 34 T Encode.TB_minPlus2 JU M002M004: A xgtb A TB_MP JC M006 JU M007M006: A BMQ-CZT JC M008 A xgtb A TB_MP A FFX-153 = LADE
17、_DIREKT = SLADE_DIREKT L Encode.TBJZ2_BMQ1 T DB1.DBD 14 L Encode.TBJZ2_BMQ2 T DB2.DBD 14 JU M002M008: L DB1.DBD 34 T Encode.Tb_MaxPlus1 L DB2.DBD 34 T Encode.TB_MaxPlus2 JU M002M007: A xgqp A QP_MP JC M009 JU M001M009: AN BMQ-CZT JC M010 L DB1.DBD 34 T Encode.MinPlus1 L DB2.DBD 34 T Encode.MinPlus2
18、JU M002M010: A xgqp A QP_MP = LADE_DIREKT = SLADE_DIREKT L Encode.CZ_BMQ1 T DB1.DBD 14 L Encode.CZ_BMQ2 T DB2.DBD 14M001: A dgqp A QP_MP JC M011 JU M002M011: AN BMQ-CZT JC M012 L DB1.DBD 34 T Encode.MaxPlus1 L DB2.DBD 34 T Encode.MaxPlus2 JU M002M012: A dgqp A QP_MP = LADE_DIREKT = SLADE_DIREKT L En
19、code.JZ_BMQ1 T DB1.DBD 14 L Encode.JZ_BMQ2 T DB2.DBD 14 JU M002M002: CALL CNT_CTRL IN0 :=KANAL1 IN1 :=START IN2 :=TOR_STOP IN3 :=FEHL_QUIT OUT4:=BEDIEN_FEHLER IO5 :=LADE_DIREKT IO6 :=LADE_INDIREKT IO7 :=VERGL1_LADEN IO8 :=VERGL2_LADEN IO9 :=RESET_SYNCHRON IO10:=RESET_NULL CALL CNT_CTRL IN0 :=KANAL2
20、IN1 :=SSTART IN2 :=STOR_STOP IN3 :=SFEHL_QUIT OUT4:=SBEDIEN_FEHLER IO5 :=SLADE_DIREKT IO6 :=SLADE_INDIREKT IO7 :=SVERGL1_LADEN IO8 :=SVERGL2_LADEN IO9 :=SRESET_SYNCHRON IO10:=SRESET_NULL A BMQ-CZT JC M013 L B#16#0 T Encode.ISJZ JU M014M013: L B#16#1 T Encode.ISJZM014: CALL FC 5CALL FC 91CALL FC 92CA
21、LL FC 93CALL FC 95CALL FC 94CALL FC 14A SZ-151 = KD151 A FFX-153 = KD153 A ZFX-154 = KD154 A LJSZ-157 A JKSZ-167 = PLC-BH-GZ A KCXH-155 = KD155 A JS-152 = JSDYG（2）OB35为定时中断组织块，主要根据计数模块的计数值，计算出提升机运行速度。中断程序流程如图5-2所示。 图5-2中断程序OB35流程图内部程序如下： L DB1.DBD 34 L DB1.DBD 66 -D DTR L Encode.ZH_C1 *R L 2.000000e
22、-001 /R T DB1.DBD 70 L DB2.DBD 34 L DB2.DBD 66 -D DTR L Encode.ZH_c2 *R L 2.000000e-001 /R T DB2.DBD 70 L DB1.DBD 34 T DB1.DBD 66 L DB2.DBD 34 T DB2.DBD 66(3) OB100为加电启动组织块，在该组织中编制有关系统参数初始化指令及相关模块的设置程序。该组织块仅在系统加电起动后运行一次，在以后的程序循环中不再执行。其流程见图5-3。图5-3 OB100流程图内部程序如下：NPUT NEW VALVECALL DIS_IRT MODE :=B#1
23、6#2 OB_NR :=35 RET_VAL:=MW64 L 336 T DB1.DBW 6 L P#336.0 T DB1.DBD 8 L 16 T DB1.DBB 12 SET = LADE_DIREKT L DB1.DBD 34 T DB1.DBD 14 L B#16#3 T DB1.DBB 28 L B#16#3 T DB1.DBB 27 SET = START L 352 T DB2.DBW 6 L P#352.0 T DB2.DBD 8 L 16 T DB2.DBB 12 SET = SLADE_DIREKT L DB2.DBD 34 T DB2.DBD 14 L B#16#3 T
24、 DB2.DBB 28 L B#16#3 T DB2.DBB 27 SET = SSTART CALL EN_IRT MODE :=B#16#2 OB_NR :=35 RET_VAL:=MW62 L Encode.ISJZ L B#16#0 =I JC M001 L L#0 T Encode.CZ_BMQ1 L L#0 T Encode.CZ_BMQ2 L L#202303 T Encode.JZ_BMQ1 L L#67449 T Encode.JZ_BMQ2 L L#195819 T Encode.TBJZ1_BMQ1 L L#65290 T Encode.TBJZ1_BMQ2 L L#64
25、27 T Encode.TBJZ2_BMQ1 L L#2158 T Encode.TBJZ2_BMQ2 JU M002M001: L Encode.MaxPlus1 L Encode.MinPlus1 -D T Encode.JZ_BMQ1 L Encode.MaxPlus2 L Encode.MinPlus2 -D T Encode.JZ_BMQ2 L L#0 T Encode.CZ_BMQ1 L L#0 T Encode.CZ_BMQ2 L Encode.MaxPlus1 L Encode.Tb_MaxPlus1 -D L Encode.JZ_BMQ1 TAK -D T Encode.TB
26、JZ2_BMQ1 L Encode.MaxPlus2 L Encode.TB_MaxPlus2 -D L Encode.JZ_BMQ2 TAK -D T Encode.TBJZ2_BMQ2 L Encode.Tb_MinPlus1 L Encode.MinPlus1 -D T Encode.TBJZ1_BMQ1 L Encode.TB_minPlus2 L Encode.MinPlus2 -D T Encode.TBJZ1_BMQ2M002: L 6.683000e+002 L Encode.JZ_BMQ1 DTR /R T Encode.ZH_C1 L 6.683000e+002 L Enc
27、ode.JZ_BMQ2 DTR /R T Encode.ZH_c25.2功能块（FB）、功能（FC）及数据块（DB）功能块（FB）是执行时必须带有即时数据块的可以多次调用的逻辑功能块，用户程序每次对FB调用提供新参数。功能（FC）执行时不需要带有即时数据，用户对FC的每次调用提供新的参数。数据块（DB）是在PLC存储器内开辟一个存储区，存放各种不同类型的数据。根据提升机操作保护系统的功能要求，用户程序设计了FC1、FC0、FC5、FC91、FC92、FC93、FC94、FC95和FC114以及DB1、DB2等模块。其中：（1）FC0、FC1、DB1、DB2四个子程序块用于完成计数模块的脉冲计数
28、任务，并将相关计数值存在DB1、DB2中，实现CPU模块与计数模块之间的数据传输。（2）FC5子程序用于对输入到PLC的操作信号和运行状态信号进行逻辑处理和闭锁，产生提升系统各部分的控制指令。内部程序如下：（3）FC14子程序块用于生成PLC内部安全回路，输出立即施闸、电气制动施闸、提升终了施闸和报警以及风压站二级制动控制信号。内部程序如下：（4）FC91子程序块用于对输入到PLC的模拟量进行处理，这些模拟量包括：主电机电流、测速机速度、各部分温度、油压等。内部程序如下： L DB1.DBD 70 L DB2.DBD 70 -R ABS L 5.000000e-001 R = M 40.0 A
29、 M 40.0 L S5T#1S SF T 11 A T 11 A( O DH O AQFW-156 ) = DHA ZFX-154 = M 30.6 A FFX-153 = M 30.7 L DB1.DBD 70 ABS L 5.000000e-001 R = MSXY05 L DB1.DBD 70 ABS L 0.000000e+000 =R = MS0 L DB1.DBD 70 ABS L 6.000000e+000 =R = MS65 L DB1.DBD 70 ABS L 4.000000e+000 =R = MS3 L DB1.DBD 70 ABS L 1.000000e+001 =
30、R = MS75 L DB1.DBD 70 ABS L 2.000000e+000 =R = MS2 L DB1.DBD 70 ABS L 5.000000e+000 =R = MS5 L DB1.DBD 70 ABS L 2.000000e+000 R = msd25L DB1.DBD 34 DTR L Encode.ZH_C1 *R T MD 96 L DB2.DBD 34 DTR L Encode.ZH_c2 *R T MD 100 L MD 96 L 6.183000e+002 =R = NM50 L MD 96 L 6.363000e+002 =R = NM32 L MD 96 L
31、6.483000e+002 =R = NM19 L MD 96 L 6.603000e+002 =R = NM8 L MD 96 L 6.693000e+002 =R = DGJ L MD 96 L 5.000000e+001 =R = BM50 L MD 96 L 3.200000e+001 =R = BM32 L MD 96 L 2.000000e+001 =R = BM19 L MD 96 L 8.000000e+000 =R = BM8 L MD 96 L -1.000000e+000 =R = XGJ L MD 96 L 3.748000e+002 =R = bjk300 L MD 96 L 3.448000e+002 =R = bgjjk2m L MD 96 L -7.000000e+000 =R = ngjxgj
